Репарация (от лат. reparatio — восстановление) — это восстановление поврежденной структуры молекулы ДНК. Она осуществляется специфическими ферментами клетки и имеет несколько разновидностей.
Фоторепарация. Под действием ультрафиолетового облучения между двумя пиримидиновыми основаниями одной нити ДНК (чаще Т—Т) образуются химические связи (возникают димеры), препятствующие считывании информации (рис. 5). Эти дополнительные связи расщепляет фермент (дезоксипиримидинфотолиаза), активируемый видимым светом. Этот процесс называется фоторепарацией.
Рис. 5 Образование тиминового димера в результате возникновения ковалентных связей между смежными основаниями
Темновая, или эксцизионная (вырезающая) репарация. Она происходит последовательно: а) фермент (эндонуклеаза) «узнает» поврежденный участок нити ДНК; б) фермент (экзонуклеаза) «вырезает» поврежденный участок; в) с помощью фермента (ДНК-полимеразы) синтезируется фрагмент ДНК по принципу комплементарности по принципу комплементарное™; г) фермент (лигаза) «сшивает» концы вновь синтезированного участка с основной нитью ДНК.
По времени осуществления репарации различают дорепликативную, пострепликативную и репликативную (рис. 6).
Дорепликативная репарация. Представляет собой восстановление поврежденной нити ДНК до ее удвоения. В простейших случаях разрывы могут быть воссоединены лигазой. В других случаях используется полная ферментативная система репарации (приведена выше).
Пострепликативная репарация. Ее механизм точно не изучен, предполагают различные варианты синтеза ДНК на поврежденной матрице. При пострепликативной репарации происходит лишь вырезание поврежденного участка и сшивание концов, изменяя, таким образом, ген. При этом клетка может сохранять жизнеспособность и передавать дефектную ДНК дочерним клеткам.
Репликативная репарация. Представляет собой восстановление ДНК в процессе репликации. Этот тип репарации осуществляется удалением поврежденного участка в ходе репликации в зоне роста цепи либо элонгацией Цепи в обход повреждения. Как и при пострепликативной репарации, последовательность нуклеотидов в данном участке изменяется.
Существуют мутации, которые нарушают восстановление поврежденных Участков молекулы ДНК (нарушают репарацию). Примерами таких мутаций являются пигментная ксеродерма, анемия Фанкони, атаксия-телеангиэктазия. При пигментной ксеродерме в клетках больных отсутствует фермент дезоксипиримидинфотолиаза, необходимый для репарации ДНК, поврежденной Ультрафиолетовыми лучами. Под действием солнечного света появляются веснушки, расширение капилляров, ороговение эпидермиса, поражение глаз, развитие раковых опухолей кожи, которые приводят к преждевременной смерти.
Если мутация произошла в половой клетке и не была устранена в результате репарации, то она будет передана потомкам.
Рис. 6 Схема репарации участка ДНК
Мутации, которые определяют появление менее приспособленных особей, но сохраняются в популяции, называются генетическим грузом. Ис точниками генетического груза служат мутационные и сегрегационные (отпозднелат. segregatio — отделение, выщепление) процессы. Сегрегационный груз возникает в результате выщепления гетерозиготными родителями менее приспособленных гомозиготных потомков.
Изучение генетического груза человека, наследования заболеваний важно для решения практических вопросов медицинской генетики. Ряд авторов выделяют общий генетический груз, обусловленный вредными мутациями, присутствующими в геноме человека, и выявляемый генетический груз (ту часть мутаций, которую удается обнаружить).
При отсутствии точных знании природы большинства генетических систем, лежащих в основе распространенных заболеваний, невозможно предсказать эффект повышения частоты мутаций. Необходимы обстоя тельные исследования, чтобы выяснить конкретный вклад генетических факторов в эти заболевания.
К таким факторам, повышающий частоту мутаций, можно отнести промышленные отходы, выбросы и выхлопы транспорта, электромагнитные излучения, ионизирующие излучения, лекарственные препараты, токсические вещества, накапливающиеся в пищевых продуктах при их неправильном хранении и обработке, и др. В целях снижения мутагенной нагрузки на человека необходимо внедрять технологии, которые не дают мутагенного загрязнения окружающей среды. Для снижения действия мутагенов рекомендуется диета, богатая естественными антимутагенами: витаминами (Е, С, А, В5, К) и провитаминами. Некоторые пищевые продукты содержат эти вещества в значительном количестве (экстракт капусты, яблок, мятного листа, зеленого перца, ананаса, баклажана и др.). Сбалансированность пищи по незаменимым аминокислотам также снижает спонтанный уровень мутагенеза и придает организму устойчивость к мутагенам.
В связи с возрастающим загрязнением окружающей среды потенциальными мутагенами перед органами здравоохранения поставлена задача предотвращения рождения детей с наследственной патологией. Особое внимание должно уделяться пренатальной диагностике и методам, на которых она основана.
2.7 Задачи по молекулярной генетики:
№ 1. Какая последовательность аминокислот зашифрована в следующем участке ДНК: ГЦАТТТАГАТГАААТЦАА?
№ 2. Смысловая нить ДНК, соответствующая гену вазопрессина (гормона гипофиза, повышающего кровяное давление), содержит следующую последовательность нуклеотидов:
АЦААТААААЦТТЦТААЦАГГАГЦАЦЦА.
Определите последовательность нуклеотидов во второй нити ДНК; последовательность нуклеотидов в и-РНК, число аминокислот, входящих в состав вазопрессина.
№ 3. Участок гена имеет такую последовательность нуклеотидов: ТТТ-ТАЦ-АЦА-ТГТ-ЦАГ. Определите последовательность нуклеотидов и-РНК и последовательность аминокислот в белковой молекуле, которая синтезируется под контролем этого гена.
№ 4. Полипептид состоит из следующих аминокислот: валин – аланин – глицин – лизин – триптофан – валин – серин – глутаминовая кислота. Определите структуру участка ДНК, кодирующего указанный полипептид.
№ 5. Полипептид состоит из следующих аминокислот: аланин – цистеин – гистидин – лейцин – метионин – тирозин. Определите структуру участка ДНК, кодирующего эту полипептидную цепь.
№ 6. Как изменится структура белка, если из кодирующего его ДНК ААТАЦАТТТАААГТЦ удалить 5-й и 13-й слева нуклеотиды.
№ 7. Какие изменения произойдут в строении белка, если в кодирующем его участке ДНК – ТААЦАААГААЦАААА между 10-м и 11-м нуклеотидами включить цитозин, между 13-м и 14-м – тимин, а на конце прибавить еще один аденин?
№ 8. Участок ДНК, кодирующий полипептид, имеет в норме следующий порядок азотистых оснований: ААААЦЦААААТАЦТТАТАЦАА. Во время репликации третий слева аденин выпал из цепи. Определите структуру полипептидной цепи, кодируемой данным участком ДНК, в норме и после выпадения аденина.
№ 9. Исследования показали, что 34% общего числа нуклеотидов данной и-РНК приходится на гуанин, 18% на урацил, 28% - на цитозин и 20% - на аденин. Определите процентный состав азотнокислых оснований двухцепочечной ДНК, слепком с которой является указанная и-РНК.
№ 10. Известно, что расстояние между двумя соседними нуклеотидами в спирализованном состоянии молекулы ДНК, измеренной вдоль оси спирали составляет 34 х 10-11м. Какую длину имеют структурные гены, определяющие молекулу белка, включающего 112 аминокислот?
№ 11. Какую длину имеет часть молекулы ДНК, кодирующая инсулин быка, если известно, что молекула инсулина белка имеет 51 аминокислоту, а расстояние между двумя соседними нуклеотидами в ДНК равно 34 х 10-11 м.
№ 12. Ген состоит из 3 одинаковых смысловых и 4 одинаковых несмысловых участков, причем интроны состоят из 120 нуклеотидов каждый, а весь ген имеет 1470 нуклеотидов. Сколько кодонов будет иметь про-м-РНК, каждый экзон, м-РНК и аминокислот в белке, закодированного в этом гене.
№ 13. Известно, что определенный ген эукариотической клетки содержит 4 интрона (два по 24 нуклеотида и два по 36 нуклеотидов) и 3 экзона (два по 120 нкулеотидов и один 96 нуклеотидов). Определите: количество нуклеотидов в м-РНК; количество кодонов в м-РНК; количество аминокислот в полипептидной цепи; количество т-РНК, участвующих в трансляции.
№ 14. Как изменится соотношение нуклеотидов в ДНК, копией которой является следующая м-РНК – УУГГАЦЦГГУУА. Если произошли следующие изменения: после 1-го триплета был вставлен тимин, после второго и третьего добавлен аденин.
№ 15. Фрагмент и-РНК имеет следующий состав: УУУ-ГУУ-ГАУ-ЦАА-ЦАЦ-УУА-УГУ-ГГГ-УЦА-ЦАЦ. Определите соотношение (А+Т)/(Г+Ц) во фрагменте названного гена.
№ 16 Определенный белок содержит 400 аминокислот. Какую длину имеет ген, под контролем которого этот белок синтезируется, если расстояние между нуклеотидами составляет 0,34 нм.
№ 17. Сколько нуклеотидов содержат гены (обе цепи ДНК), в которых запрограммированы белки из 500 аминокислот, 25 аминокислот, 48 аминокислот.
№ 18. На фрагменте одной цепи ДНК: А-А-Г-Т-Ц-Т-А-Ц-Г-Т-А-Т нарисуйте схему структуры двухцепочечной молекулы ДНК. Каким свойством вы руководствовались? Какова длина в нм этого фрагмента? Сколько (в %) содержится нуклеотидов в отдельности в этой цепи ДНК?
№ 19. В эукариотической клетке ген, хранящий информацию о белке, состоит из 648 пар нуклеотидов. Из них три участка по 70 пар нуклеотидов - не смысловые (интроны). Сколько т-РНК участвовало в сборке полипептида? Сколько нуклеотидов в матричной РНК? Какова масса всего белка (масса 1 аминокислоты 100)?
№ 20. Ген состоит из 540 нуклеотидов. Белок, кодируемый данным геном, состоит из 120 аминокислот. Определить длину и-РНК и количество интронов в про-и-РНК. (Учесть расстояние между соседними нуклеотидами 3,4 А).
№ 21. Ген имеет длину 2040А. Белок состоит из 150 аминокислот. Какова длина интронов? Сколько нуклеотидов на них приходится?
№ 22. В гене на интроны приходится 40%. Определите количество аминокислот в белке и длину про-и-РНК, если на интроны приходится 180 триплетов?
№ 23. Определить, что опаснее с точки зрения последствий выпадения первого, среднего или последнего нуклеотида в цепи ДНК. Показать на примере структурного гена.
№ 24. Представлена часть белка: глицин-глутамин-метионин-треонин-тирозин. Подсчитайте соотношение аденин+тимин и гуанин+цитозин в участке ДНК, кодирующем данную последовательность аминокислот.
№ 25. Исследования показали, что нуклеотидный состав мРНК следующий: 30% приходится на гуанин, 10% - на цитозин, 16% - на аденин и 44% - на урацил. Определите процентный состав по нуклеотидам той части ДНК, слепком которой является изученная мРНК.
№ 26. Известно, что расстояние между нуклеотидами в цепочках ДНК составляет 34х10-11м. Какую длину имеет ген, определяющий гемоглобин, включающий 287 аминокислот?
№ 27. Узнайте структуру молекулы ДНК, в которой зашифрована информация о следующем пептиде: треонин-цистеин-цистеин-изолейцин-гистидин-валин-глутаминовая кислота.
№ 28. Как изменится белок, если в гене, его кодирующем – ТААААТАЦААЦЦЦАААТА, произошли мутации по типу выпадения 1, 12 и 17 нуклеотидов?
№ 29. Исследования показали, что в м-РНК процентное соотношение азотистых соединений следующее: аденинов 8%; гуанинов 22%; цитозинов 26%; урацилов 44%. Определите процентное соотношение нуклеотидов в соответствующей этой мРНК, ДНК.
№ 30. Подсчитайте длину гена, кодирующего следующий олигопептид: валин-лейцин-лейцин-глутамин-фенилаланин-триптофан-цистеин-риптофан-валин-глицин-лизин-аргинин-гистидин-метионин-аргинин-тирозин, если расстояние между нуклеотидами в ДНК равняется 34х10-11 м. Известно также, что при процессинге данного белка был вырезан интрон, состоящий из 12 нуклеотидов.
№ 31. Подсчитайте соотношение аденин+тимин и гуанин+цитозин в ДНК, которая определяет следующую последовательность аминокислот: лизин-валин-триптофан-фенилаланин-валин-метионин.
№ 32. Известно, что в состав определенного гена входит 3 интрона (27, 24 и 36 нуклеотидов) и 4 экзона (по 66 нуклеотидов каждый). Определите количество аминокислот в белке, закодированном в этом гене, и число кодонов в про-мРНК.
№ 33. Определить антикодоны т-РНК, участвующие в синтезе белка, начальный участок которой имеет следующее строение: аланин – серин – треонин – цистеин – тирозин – валин – аргинин.
№ 34. При биосинтезе белка к рибосоме последовательно доставлены аминокислоты т-РНК: УУУ; ГЦА; УУУ; УЦУ; УГА; ЦАА. Какой полипептид получился?
